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电子科技大学硕士论文一m p l s 流量工程的设计与实现 摘要 学科专业：通信与信息系统 论文题目： m p l s 流量工程的设计与实现 硕士生：朱河清导师：雷维礼教授 摘要： 本文描述了高端骨干路由器上m p l s 流量工程的设计与实现方案。 首先介绍了i p 网络的发展趋势。其次描述了m p l s 技术的概念、特性和 基本应用，以及流量工程的基本定义、功能、必要性和常用的实现方法。文 章的重点是m p l s 流量工程的功能分解与具体的设计与实现方案，设计思想 是将流量工程的实现框架分解为：数据转发模块、信息发布模块扩展使 用s p f 算法的路由协议、c s p f 改进s p f 算法实现约束路由计算、信令 模块一一对比了c r l d p 和r s v p t e 两种用于流量工程的信令协议、并给 出了如何灵活地利用路由策略应用流量工程隧道的建议。在具体实现部 分描述r 对c r l d p 信令模块和流量工程c r l s p 管理模块详细实现的部分 重要细节，如数据结构、状态机的划分与处理，常用的流量工程本地策略实 现。 本课题是与华为公司合作项目之一，作者参与了m p l s 流量工程的需求 分析、总体设计，实现了其中c r l d p 子模块与c r l s p 管理子模块的接口 部分。 关键词：， 多协议标签麦换、流量壬袅、信息发磊、约束路酣算、基于约束的标 签发布协议模块 i i 电子科技大学硕士论文一m p l s 流量工程的设计与实现 a b s t r a c t s u b j e c t ：c o m m u n i c a t i o n sa n d i n f o r m a t i o ns y s t e m t i t l e ： d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o fm p l s1 r r a f f i ce n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t es t u d e n t ：z h uh e q i n g t u t o r ：l e iw e i l i a b s t r a c t ： t h ep a p e rp r e s e n t st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o ns o l u t i o no fm p l st e a t f i r s t ，t h et r e n do f i pn e t w o r ki sd i s c u s s e d t h e ni st h eb a s i cc o n c e p ta n df u n c t i o n o fm p l sa n dt e t h em o d u l ed e c o m p o s i t i o no ft e ，w h i c hi n c l u d e sp a c k e t f o r w a r d i n g ，i n f o r m a t i o nf l o o d i n gm o d u l e w h i c hi st h ee x t e n s i o no f r o u t i n g p r o t o c o lu s i n gs p f ，c s p f m o d u l ew h i c hi st h ei m p r o v e m e n to fs p f a l g o r i t h m ， t h ec h o i c eo ft w od i f f e r e n tk i n d so f s i g n a l i n gp r o t o c o l s r o u t i n gp o l i c yw h i c h r e l a t e st oh o wt ou s et e - l s pi nf l e x i b l ew a y i ss u g g e s t e d t h er e m a i n d e ri st o g i v et h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o no f c r - l d pm o d u l ea n dc r l s pm a n a g e m e n t m o d u l es u c ha sk e yd a t as t r u c t u r e ，s t a t em a c h i n er o u g h l ya n ds o m et r a f f i c e n g i n e e r i n gl o c a lp o l i c y i ti sb a s e do nt h ec o o p e r a t i v ep r o j e c tw i t hh u a w e i t e c h n o l o g i e s a n d t h e a u t h o rp a r t i c i p a t et h ed e s i g no fm p l st ea n di m p l e m e n t a t i o no fc r - l d p m o d u l ea n dt h ei n t e r f a c e p a r to f c r - l s p m a n a g e m e n t m o d u l e k e y w o r d s ： m p l s ，t r a f f i ce n g i n e e r i n g ，i n f o r m a t i o nf l o o d i n g ，c s p f ，c r - l d p i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名日期：跏a 年，月却日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 繇摊新繇继 日期：年月日 电子科技大学硕士论文一m p l s 流量工程的设计与实现 第1 章引言 本章简单阐述了i p 网络的发展趋势，概述传统i p 网络的缺陷。指明流量 工程能提高网络的运行效率和提供服务质量，并说明m p l s ( 多协议标签交 换) 流量工程的设计与实现是本文的焦点。 1 1 i p 技术为核心的下一代网络 通信技术的革新和网络技术的飞速发展，极大的满足了人类沟通的需要。 目前信息产业已成为世界科技领域中最有活力、发展最快的高新技术，成为 不少国家经济发展的支柱产业，它影响着人类传统生活的方式和生活质量。 当前世界各国目前都在大力发展网络技术、通信技术，以满足人民的生 活需要：构筑优秀的网络，将其与传统产业相结合，能有效提高本国的经济 竞争和军事保障能力，是各个国家、运营商、企业、校园用户的共同愿望。 从技术角度看，i p 技术简单灵活，可建立在各种不同的物理网络技术上； 在i p 技术为基础的网络上，实现各种应用业务简单高效。目前看来，网络发 展的趋势相对明朗，实践也证明，无论是传统的电信运行商，还是新兴的网 络运营商，它们在新建或者改造现有网络时，大多选择了构建i p 技术为核心 的可营运的多业务网络。将多种网络如电信网络、计算机网络、广播电视网 络融合，构建以i p 技术为核心的综合业务网络，已在很多地方开展。在我国， 数据网络与电信网络的融合过程正在飞速发展，多家运营商中国电信、联通、 网通、移动等公司都开展了利用i p 网络提供传统语音通信的业务。 1 2 建设下一代可运营i p 网络的关键 传统的i p 技术采用尽力传送( b e s te f f o r t ) 机制，对i p 数据分组依据目 的地址与源地址简单地进行逐跳转发，不能针对不同的业务需求提供不同的 转发能力，尤其是在网络发生拥塞的时候。 随着网络技术的发展与融合，在i p 网络上提供数据、语音、视频流等多 种不同特性的应用的需求越来越大。在网络资源非常充足时，传统的i p 技术 尚能使得不同类型的业务需求基本都能得到满足。由于分组流量传送的突发 陛，即使是美国这样的发达国家建设的带宽资源丰富的网络在局部范围、在 电子科技大学硕士论文一m p l s 流量工程的设计与实现 特定时间或者条件下，也会出现网络流量过大导致拥塞的现象。当网络中的 部分节点出现拥塞时，优先级高的重要业务的i p 分组必须得到优先传输，并 能按照用户与运营商之间的承诺的标准提供较好的服务质量。这是传统的i p 技术难以解决的问题。 i e t f 成立了集成业务和区分业务两个工作组，以解决在i p 网络上提供服 务质量。他们各自提出了解决方案，但在现有的i p 网络上提供服务质量，很 难操作。 图1 1 ，l p 骨干网络承载多业务 传统i p 网络中的路由协议通常采用纯粹的基于网络拓扑的选路算法，在 计算路径时不考虑网络上各个节点、链路的资源利用情况；i p 数据分组依据 路由算法选中的最短路径进行转发。这可能导致部分网络中部分较优的链路 资源被过度使用，部分链路资源被闲置浪费，使得i p 网络资源的利用效率不 高。 网络的规模、利用效率和提供给用户的服务质量是构建下一代可运营i p 网络的关键。网络运营商在建设网络需要巨大的投资，作为商业实体，需要 在收益和投入中取得平衡。在建设网络的时候，必须充分考虑网络的实际需 求、运行效率与高收益。 1 3 m p l s 流量工程的重要作用 流量工程( t r a m c e n g i n e e r i n g ) 是通过对网络资源的合理配置，对路由 过程的有效控制使得网络的资源能得到更优的利用，使网络的运用效率得到 提高；流量工程还致力于提供用户端到端的服务质量，本文第三章详细解释 流量工程的定义、功能与发展。 电子科技大学硕士论文- - m p l s 流量工程的设计与实现 i e t f 提出的下一代骨干网络技术m p l s ( m u l t i p r o t o c o l l a b e ls w i t c h i n g ) 一一多协议标签交换，具备趣好的应用前景和广阔的市场潜力。m p l s 具有 预先建立满足一定服务质量需求的l s p ( l a b e ls w i t c h i n gp a t h ) 标签交 换路径的能力，l s p 类似于隧道的功能，本文第二章详细描述m p l s 的基础 概念与业界所处的发展状态。 通过路由策略借助预先建立的l s p 能对部分i p 分组提供明确路由。这种 借助预先确定路径的隧道不仅能提供给用户不同服务质量的业务；还能有效 地调度网络中的流量，提高网络的运行效率，实现流量工程。 本文专注于利用m p l s 实现流量工程的需求分析，功能分解和实际设计。 并实现了c r l d p 子模块与c r l s p 管理模块中的接口部分、t e - - m i b 与部 分本地策略。 电子科技大学硕士论文一m p l s 流量工程的设计与实现 第2 章 m p l s 本章在对比了i p 和a t m 两种技术后，描述了m p l s 的产生的背景和过 程，给出了m p l s 的一些基础概念，并描述了m p l s 的几种应用。m p l s 的 特点是在无连接的i p 网络中引入了连接的概念；在路由器上使得控制与转发 分离，为i p 网络提供灵活的业务提供了可能。 2 1 m p l s 的产生背景 m p l s 技术的产生是数据网络技术不断发展不断演进的结果，它建立在 a t m 和i p 两种技术的融合之上。 2 1 1 i p 和a t m 技术的对比与应用 i p 是无连接的技术，设计非常简单，依靠源地址、目的地址在网络中由 路由器对每个分组进行逐跳转发，极为灵活。“i po v e re v e r y t h i n g ，e v e r y t h i n g o ni p ”的体系结构能跨越不同的链路层技术，承载不同的应用业务，具有极 强的可扩展性，实践证明它在承载数据业务上获得了极大的成功。但它很难 提供实时性要求较高的音频、视频以及其他实时性要求较高的交互式业务。 面向连接的a t m 技术，采用定长的信元交换，利用硬件交换技术，曾经 一度提供了大容量的高速端口、强大的网管能力和丰富的q o s 业务特性。而 且a t m 具有很强的流量管理能力。但是a t m 设备的成本高昂，技术实现复 杂，承载数据的利用率较低，难以兼容现有其余的各种链路层设备，不具备 取代i p 技术的能力，被看作是一种能被i p 采用的强有力的数据链路技术。 下表对比了i p 和a t m 之间的技术差异。 i pa t m 连接技术无连接面向连接 分组长度变长定长 服务质量无有 承载业务数据数据，语音和图像 通路确定每分组建立连接 转发状态所有可能的网络局部活动的传输连接 电子科技大学硕士论文一m p l s 流量工程的设计与实现 转发基础最长目的地址匹配 固定长度的标签 信令无有 表2 1 ，i p 与a t m 技术之间的对比 综合i p 和a t m 技术的优点，构建层迭式的i p 、a t m 网络，能在i p 网 络上提供具有q o s 特性的业务。但层迭式的i p 与a t m 网络的应用缺陷明显： 运营商必须同时管理a t m 和i p 两种网络，管理上很复杂，成本很高。 小型网络不惧怕出现n 平方问题，但对大型的网络而言，这个问题 很严重，因为重叠式的结构通常采用p v c 来连接边缘的路由器，如 果骨干网络上有几百台a t m 交换设备，配置p v c 是极为麻烦的一件 事。 a t m 使用定长的信元头部，在承载i p 分组时，额外负载将达到2 0 ，对端口是很大的消耗，提高了运营成本。 a t m 的s a r 功能实现起来很复杂，价格昂贵，在技术上要提供商用 的2 5 g 、1 0 g 端口很难。而随着硬件技术、光技术的进一步发展， 大量2 5 g ，1 0 g 的高速p o s 端口已经商用，大大降低了a t m 技术的 高速优势。 i p 和a t m 层迭式构建的网络虽然部分解决了在i p 网络上的服务质量 问题，在一定时期内也得到了一定程度的实际应用，但随着网络技术 的不断发展，a t m 与i p 层迭式的结构不再适宜。显然，需要更新 的技术来取代这种层迭式的网络结构。 2 1 2i p 交换和m p l s 的产生与发展 1 9 9 6 年春天，新成立的i v s i l o n 公司提出了一种i p 交换( i ps w i t c h i n g ) 的 思想。它将一个i p 路由器捆绑在一个a t m 交换机上，去除了交换机中复杂 的a t m 论坛定义信令和路由协议。i p 交换机作为一个整体运转，执行通常 的i p 路由协议，并进行传统的逐跳方式的i p 分组转发。当检测到一个大数 据量、长持续时间的业务流时，i p 路由器就会与其相邻的上游节点协商，为 该业务流分配一个新的v p i v c i 来标记该业务流的信元，同时更新a t m 交 换机中连接表所对应的内容。当这个独立处理流程在路由通路上的每一对i p 交换机之间都得到了执行，最初的由i p 分组逐跳选路方式的业务流最终就转 电子科技大学硕士论文一m p l s 流量工程的设计与实现 变成一个采用a t m 方式交换的业务流。实际上，i p 交换机就是一个运行通 常路由协议的路由器，只是它采用了一个a t m 交换机作为分组转发的引擎。 1 9 9 6 年秋天，c i s c o 公司发布了标记交换( t a gs w i t c h i n g ) 。路由器采用 标记交换的转发机制，而不是传统的最长目的地址匹配的查询方法，提高以 路由器为核心的网络的性能。显然通过定长标记转发分组比提取i p 分组的目 的地址进行最长地址匹配转发的方式更加高效。标记交换还能把网络层的路 由与实际的转发机制分离，可使任何不同的三层服务都可以与一个简单而高 速的转发机制联系起来。它的工作原理是，首先根据路由器表项的内容向网 络中的标记交换路由器( t a gs w i t c hr o u t e r ) 发布一组标记，然后根据每个 分组携带的标记来进行标记交换，完成业务流的转发。 标记交换与i p 交换不同点在于，标记交换是拓扑驱动、控制驱动，而i p 交换是数据驱动、流驱动。 几乎在c i s c o 发布标记交换的同时，i b m 发布了a r t s ( 聚合的基于路由的 i p 交换) ，它还引入了多点到点的交换通路的概念。 1 9 9 6 年底，为结束业界各个厂家推出类似产品的解决方案，但无法互通 的混乱局面，i e t f 成立了m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，多协议标 签交换) 工作组，在c i s e o 公司的标记交换技术的基础上，结合各大设备厂 商和学者们的建议，专门对集成路由和交换的解决方案进行标准化。五年来， m p l s 工作组的研究成果显著。迄今为止，已经发布了1 2 个r f c ，2 5 个d r a f t ， 与此技术相关的，中间产生的草案不计其数。m p l s 工作组基本标准化了 m p l s 体系结构，l d p ( 标签分发协议) ，运用l d p 实现通过a t m 、f r a m er e l a y 交换，扩展b g p 实现i pv p n ，m p l s 实现流量工程等工作。 2 2 m p l s 的基础概念 2 2 1f e c ，标签和l s p 在无连接的i p 网络中，路由器依据每个分组头部的目的i p 地址，独立地 执行路由算法，对分组选择下一跳进行转发。实质上，分组头部包含的信息 可以将很多分组按照特定的规则分成f e c ( 等效转发类) ，然后依据f e c 进 电子科技大学硕士论3 e - - m p l s 流量工程的设计与实现 行下一跳选择并转发。属于同一个f e c 的分组将沿着相同的路径转发( 如果 存在多路选择的路由算法，那么它们将沿着到达目的地的某条路径前进) 。 在通常的i p 分组的转发过程中，如果两个i p 分组具有相同的目的地址前 缀，且前缀对应于路由表中的最长地址匹配，可以认为这两个i p 分组属于同 个f e c 。网络中的每一个路由器都可以执行这种类似的划分f e c 的工作， 并依据划分后所属的f e c 进行转发。 在m p l s 网络中，划分f e c 的工作是在分组进入m p l s 网络时执行。属 于某个f e c 的分组将会被分配一个定长的较短的标签( l a b e l ) ，当分组离开 入口标签交换路由器( i n g r e s sl s r ，l e r ) ，将被转发到下一跳的时候，被分 配的标签会插入在i p 分组头部前( 这个动作被称为p u s h ) ，来标识f e c 。 下一个路由器( l s r ) 不会再分析网络层的分组头部，而是直接依据携 带的标签进行转发，在分组被转发至下一个路由器( l s r ) 时，会用个新 的标签来替代原有标签( 这个动作被称为s w a p ) 。当该分组离开m p l s 网络 或者到达目的地时，相应的标签将会被剥去( 这个动作被称为p o p ) ，以原 来的i p 分组形式被继续转发。 这样一条从入口路由器，沿着中间路由器直到出口路由器的路径，被称 为l s p ( 标签交换路径) ，它可以通过手工逐跳或者借助信令协议自动预先建 立，信令协议的类型较多，有l d p ，c r l d p ，r s v p t e 和b g p 4 的扩展等 几种。 发起建立l s p 的原因有很多种，可以是数据流驱动，也可以是拓扑驱动， 或者是控制驱动。具体发起和如何发起l s p 建立的请求策略非常灵活和广泛， 但不属于本文研究的范畴。 电子科技大学硕士论文一m p l s 流量工程的设计与实现 图2 1 ，标签、l s r 与l s p 以上图为例，从主机x 发出目的地址不同的i p 分组甲和乙，进入m p l s 网络后，l s r a 根据f e c 的规则分配标签，分组甲得到的标签2 l 、分组乙 得到的标签是1 7 。转发分组到l s rb ，l s rb 根据标签直接进行转发。入标 签为2 l 的分组被转发至l s rd ，出标签换为4 7 ；入标签为1 7 的数据分组被 转发至l s r c ，出标签换为1 1 。在l s r d ，剥去标签4 7 ，直接将分组甲转发 到目的主机z 。在l s rc ，剥去标签1 1 ，直接将分组乙转发到目的主机y 。 l s ra b c ，l s ra b d 之间的这种根据标签对应关系的路径被称为l s p ( 标 签交换路径) 。 标签是短且定长的连续符，标识所属的f e c ，一般来说它只具有本地意 义，由分发该标签的l s r 负责决定其具体意义和应用。标签的形式多种多样， l d ps p e c i f i c a t i o n ( r f c 3 0 3 6 ，标签分发协议) 定义了下面三种标签： a t m 接口：标签采用v p i v c i f r a m er e l a y 接口：标签采用d l c i 通用标签( 3 2 位的数据) 通用标签通常被用在以太网、p o s 端口，目前骨干网和城域网上这两种 接口的应用最广泛，通用标签是m p l s 最具代表性的标签形式，有利于开展 多种应用增值业务。随着m p l s 技术的不断拓展，时间片、光波长都能被用 作标签。 标签空间可以是基于l s r 每接口范围的标签，也可以是基于l s r 全局范 电子科技大学硕士论文一m p l s 流量工程的设计与实现 围的标签。在l s r 的a t m 接口上，只支持每接口范围的标签空间，每接口 范围的标签只能使用在直接相邻的l s r 之间。显然基于全局范围的标签在 m p l sl s p 的健壮性应用上具有更广泛的意义，利于实现标签合并。 2 2 2通用标签，标签栈和标签聚合 通用标签和v p i v c i ，d l c i 构成的标签有些差异，它允许多层标签重叠 使用，r f c 3 0 3 2 对其进行了专门定义。通用标签共计3 2 b i t ，放在i p 分组的 链路层头部和网络层头部之间，其详细结构如下圈所示： l a b e l ：标签值，用于查询转发，2 0b i t ； e x p ： 实验用，部分专家建议用于d s 业务，3b i t ； s： 标识是否已到标签栈底，非栈底标签时，值必须为0 ，1b i t t t l ：存活时间，8b i t ； 图2 2 ，通用标签的定义 到目前为止，讨论的标签都没有超过一层。实质上，在数据分组头部加 多层标签的应用极为重要。如下图所示，l s r c 预先知道应该带有标签6 的 分组需要剥去标签转发到主机x ，带有标签1 3 的分组需要剥去标签转发到主 机y ，它们都必须经过l s r c 、d 、e 。l s rc 、d 、e 之间存在一条已经建立 的l s p ，当携带标签6 的i p 分组到达l s rc 后，会被压入新的标签1 7 ，沿 着l s p 标签交换到l s r e ，在l s re 处剥去顶层标签2 l 按照预先掌握的规 则，将标签分组6 剥依据内层标签6 ，分组最后被转发到主机x ；而对内层 标签为1 3 的分组，进行类似的操作，在l s r e 剥去顶层标签2 l ，最终将其 转发到主机y 。上述的重叠式的l s p 应用非常灵活，能给i p 网络带来灵活 的特性业务，如提供i pv p n ，依据s l a ( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) 提供q o s 功能。 电子科技大学硕士论文一m p l s 流量工程的没计与实现 图2 3 ，标签栈的应用 m p l s 允许l s p 的聚合，即来自不同出发点的多条l s p 可以共用条l s p 到达共同的目的地。数据转发时表现为携带不同入标签的分组通过标签交换， 离开l s r 时使用相同的出标签，这过程被称为标签聚合。 2 2 3标签分发和标签保持 m p l s 目前正在标准化的标签分发的信令协议比较多，有新兴的l d p ， c r l d p ；也有利用捎带传输的b g p 4 ，r s v p t e ( r s v p 的流量工程扩展) 。 其中： l d p 应用于普通的m p l s 业务，建立l s p 。 c r l d p 和r s v p t e 用于建立c r l s p ( 基于约束的l s p ) ，是流量 工程可选的两种信令协议，下文对这两种信令协议进行了对比，并给 出了选择c r l d p 作为本课题一m p l s 流量工程的信令协议实现的 原因。 b g p 4 用于提供i p v p n 业务。 标签分发的模式： 下游按需分配：上游路由器根据需要，向下游路由器发出标签申请报 文( l a b e l r e q u e s t m e s s a g e ) ，下游节点收到申请后，根据f e c 分配 标签并给予响应报文。 下游自主分配：下游路由器根据自己的判断，在没有收到标签申请报 文的情况下，主动给上游路由器发送与f e c 对应的标签映射报文。 电子科技大学硕士论文一m p l s 流量工程的设计与实现 标签保持模式： 自由标签保持模式：路由器收到来自并非当前下一跳传来的f e c 和 标签之间的映射后，保留该映射关系。随着路由的变化，很可能该下 一跳成为真正的下一跳，因此这种保持模式能更快的适应路由的变 化。 v ，保守的标签保持模式：与上面相反，在收到并非当前下一跳发来的 f e c 和标签的映射关系后，路由器丢弃这种映射关系，以节省维护大 量多余标签所需耗费的资源。 l s p 控制方式： 独立的l s p 控制方式：l s r 在发现特定的f e c 时，独立决策是否对 其分发相应的标签。 有序的l s p 控制方式：l s r 只有在e g r e s s 节点后者收到下游送来的 对应f e c 的标签映射报文，才能对该f e c 分发标签。 2 2 4逐跳l s p 和显式路径l s p 逐跳l s p ( h o pb yh o pl s p ) ：l s p 的建立过程由传统的路由协议选择下 一跳，决定l s p 通过的路径。显式路径l s p ( e r l s p ，e x p l i c i tr o u t e l s p ) ： 按照预先确定全部或者部分路径建立的l s p 。显式路径l s p 是c r l s p 中一 个非常重要的子集。 因为能预先控制l s p 的路径，显式路径l s p 在流量工程中得到了有力的 应用。事实上，i p 数据包同样具有源路由的能力，但逐跳的分组转发会大量 消耗路由器的资源。而且单独数据源不具有智能和收集功能，它无法得到也 没有必要了解全网的资源拓扑结构，所以具有源路由特性的i p 技术只作为调 试网络时的使用技术，不具有主动完成流量平衡的能力。 2 3 m p l s 应用 2 3 1 m p l s 集成i p 和a t m m p l s 产生之初是为了构造更为高速的路由器。但自9 7 年以来a s i c 技 电子科技大学硕士论文一m p l s 流量工程的设计与实现 术的迅速发展，利用硬件实现的路由计算、查找和转发速度很快，突破了传 统i p 路由器是网络瓶颈的概念，实现了线速路由。a t m 技术在端口速率和 交换容量上不再具有优势。这使得原先a t m 设备占据网络核心层、骨干层 的发展趋势发生了变化。 但是目前网络中，已经部署了大量a t m 交换机和i p 路由设备，a t m 技 术提供了多种丰富的业务，a t m 和i p 技术将在较长的时间内，共同存在于 骨干网络中。但i p 和a t m 设备传统的重叠式的网络构架实现复杂，尤其是 在实现a t m 和i p 两种地址映射方面；使用效率不够高，成本高昂；复杂网 络还需面临n 平方的复杂度。 r o u t e ra t ms w l t c l n a t mm p l s r o u t e r 图2 - 4 ，m p l s 集成a t m 和i p 采用m p l s 技术，利用l d p 协议，自主分发v p i v c i 标签，将a t m 设 备升级为a t ml s r ，有效地集成i p 和a t m 技术。a t m 设备原有的a t m 信 令和选路协议可仍然适当保留，以提供不同用户的业务需求。 2 3 2m p l s t e 经过较长时间的合作，一度困扰m p l s 发展的不同厂商设备之间的互通 难的问题随着m p l s 的标准化进程，已被基本解决。目前m p l s 一个重要的 应用就是用于实现流量工程，它已经被美国的大运营商如u u n e t ，g l o b a l c r o s s i n g 商用，a t & t 也计划今年年底开始部署m p l s 网络，l e v e l 3 计划 明年部署m p l s 网络。美国的运营商们对m p l s 的唯一应用是在核心网络上 实现流量工程。流量工程的定义将在下一节详细介绍，目前已经商用m p l s 核心网络的设备基本来自于美国的c i s e o 和j u n i p e r 公司。在我国，流量工程 的研究一直局限于理论方面的探讨，工程应用方面还是空白。我国目前还没 有运营商实现m p l s 流量工程的商用，也没有生产具备运用m p l s 实现流量 1 2 电子科技大学硕士论文一m p l s 流量工程的设计与实现 工程的网络设备。 m p l s 具有面向连接技术的能力，它的出现改变了i p 网络中无连接的现 状。通过c r l d p 或者r s v p t e ，采用按需的标签分配模式、保守的标签保 持方式和有序的l s p 控制方式，预先确定路径或者通过扩展路由协议利用网 络拓扑和资源信息自动计算合理的路径，在重要的业务聚合点之间建立l s p 隧道。通过灵活的路由策略将流量按需映射到l s p 上，能实现流量工程。下 文还将详细描述。 2 3 3m p l s v p n 传统的v p n 业务往往通过租赁专用链路、独占带宽以实现隔离其他用户； 或者通过端到端的数据加密和认证机制实现为主。这些实现方式要么费用高 昂，资源利用率不高；要么管理配置较复杂。i pv p n 是利用i p 网络，依靠 m p l s 技术通过隧道方式提供类似隔离于公网的私有通道，类似于通过a t m 和f r a m er e l a y 、租借专线实现v p n 的功能。这种新型v p n 业务能够充分利 用现有网络的资源，而且用户不需要涉及v p n 的管理、配置和维护，用户依 据需求与运行商签订服务业务级别约定( s l a ) 。当用户不需要使用这些私有 隧道资源时，相应的网络资源可以动态地被其余用户的业务使用；当网络资 源紧张时，甚至出现拥塞时，i p 业务网络能提供基于服务水平协议的服务， 保证满足用户需求。这种方式大大提高了资源的利用效率，也降低了v p n 业 务的成本。 通过对b g p 4 协议进行扩展，自动学习、通告网络连接的各个v p n 的站 点，给对应站点发布标签：借助于m p l s 技术在p e ( p r o v i d e de d g er o u t e r ) 之间建立l s p ，属于同一个v p n 相隔遥远的站点之间的私有通道就建立起来 了，如下图所示，实线表示v p na 的各个站点之间的通道，虚线表示v p nb 各个站点之间的通道。v p n 内部不同站点的实际通信是借助在i p 分组上通 过多层标签实现。 电子科技大学硕士论文一m p l s 流量工程的设计与实现 图2 5 ，m p l s 提供i p v p n 业务 v p n 和流量工程被公认为m p l s 所能提供的最主要的两种应用。我国杭 州信息港，河南广电，河南电信部门已经开始了m p l s v p n 的商用，提供与 a t m ，f r a m er e l a y 和租借专线类似的性能。杭州信息港的m p l sv p n 业务 在政府行为干预下，接入企业用户点的数目达到了1 1 6 5 个，另外还有公安系 统5 0 0 多个点，共有1 6 0 0 多个点提供企业用户的互通性。河南广电开通的 m p l sv p n 业务与此类似。 但美国目前尚未有i s p 向外界提供m p l sv p n 业务，l e v e l 3 预计在2 0 0 2 年部署m p l s 网络的时候，开通m p l sv p n 业务。 2 3 4m p l sq o s 服务质量，q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) ，致力于提供一致的可预测的数据传 输服务。通常从三个方面衡量q o s 的特性是否得到满足： 最小的传输时延( d e l a y ) ； 最小的传输时延抖动( j i t t e r ) ； 提供一致的数据吞吐率( t h r o u g h p u t ) ； i e t f 专门成立了两个小组一集成业务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ) 工作组和 区分业务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 工作组对在i p 网络中实现服务质量的问 题进行研究。这两个工作组分别提出了各自基于i p 网络的服务质量协议模型 1 4 电子科技大学硕士论文一m p l s 流量工程的设计与实现 一一i n t e g r a t e ds e r v i c e s r s v p 模型和d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s 模型，并制定了 相关的标准和协议草案。 从体系架构上看，m p l s 对两种业务体系的q o s 都具备较好的支持能力。 2 3 4 1 集成业务体系 集成业务工作组提出的集成业务模型是以资源预留为主要特征的。对于 一个具有一定q o s 要求的连接，在开始传输数据之前，它必须首先建立起一 条从源地址到目的地址的通道，并在该通道上的各个节点进行资源预留，从 而保证了沿着该通道传输的数据流能够满足一定的q o s 要求。除了尽力服务 ( b e s te f f o r t ) 类型外，集成业务模型还提供了两种服务类型： 确保质量的服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) 负载受控( c o n t r o l l e d l o a d ) 的服务 g u a r a n t e e ds e r v i c e 可以为符合一定流量特征( 可以进行协商) 的业务流 提供保证的带宽，确定的端一端时延限制( f i x e de n d t o - e n dd e l a yb o u n d ) ，并 确保守约的数据包不会因为队列溢出( o v e r f l o w ) 而被丢弃。该业务的性能 近似于具有固定带宽r 的专线服务性能，其性能特性完全不受该网络其他业 务流的影响。这种机制并不直接控制数据包的时延抖动，而是通过限制最大 的队列时延来实现对时延抖动的约束。在网络节点中，数据包的队列时延采 用令牌桶( t o k e nb u c k e t ) 模型来进行计算。对于不满足预先约定的令牌桶特 征参数要求的通信量，则按照b e s te f f o r t 的方式进行转发。g u a r a n t e e ds e r v i c e 适用于对时延和时延抖动有严格要求的通信业务。 c o n t r o l l e d l o a ds e r v i c e 并不能提供确定的时延保证，但是它却可以保证， 无论网络处于轻负载状态还是重负载状态，它都可以为业务流提供近似相同 的服务质量。为了获得c o n t r o l l e d l o a ds e r v i c e 的服务质量保证，客户端也需 要向传输通道中的网络节点提出服务申请并向其说明业务流的特征( 采用令 牌桶模型参数) ，但客户端不需要提供峰值速率参数，因为系统不需要精确计 算队列的时延。如果服务申请被接受，则各节点为其进行适当的资源预留。 当网络负载较轻时，c o n t r o l l e d l o a ds e r v i c e 的服务质量近似于在同等条件下 b e s te f f o r t 业务的服务质量；当网络负载较重，甚至在超负载( o v e r l o a d ) 的 情况下，其服务质量不会象b e s te f f o r t 业务那样显著变坏，而是基本保持不 电子科技大学硕士论文一m p l s 流量工程的设计与实现 变。对于违约的数据流，在资源允许的情况下，把它作为b e s te f f o r t 业务流 来处理。c o n t r o l l e d l o a ds e r v i c e 适用于对时延和时延抖动具有一定自适应能 力的业务，如采用实时传输协议( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 作为定时( 同 步) 恢复机制的视频和音频业务。 i e t f 推荐r s v p ( 资源预留协议) 作为实现集成业务体系的信令协议。 集成业务模型实现了绝对服务质量的保证，可以支持网络状态的动态改变。 但是它也具有明显的缺点： 可扩展性是集成业务模型最严重的问题，r s v p 的软状态机制使得资源预 留时需要对大量状态进行刷新和存储，随着网络规模扩大，会更加明显。 使用集成业务模型建立端到端的资源预留要求从发送者到接收者之间的 所有路由器都支持所实施的信令协议。虽然信令可以透传通过不支持资源预 留的节点，但实质上端到端的服务质量已经无法得到保证 信令的实现非常复杂，用户认证、优先权管理和计费需要一套复杂的上 层协议。 对于集成业务体系业界比较一致的意见是：在规模较小，业务质量要求 较高的边缘网络，如企业网，校园网中使用，对于骨干网络的q o s 技术，使 用区分业务模型。 m p l s 应用于边缘网络时，能够提供对集成业务体系进行支持，m p l s 目 前定义了信令r s v p t e ，可作为建立c r l s p 控制协议。它与标准的集成业 务网络( 使用r s v p ) 进行互通时，只需要进行简单的适配就可以了。 在c r l d p 做信令协议的m p l s 网络的边缘，需要与r s v p 实现互通。 c r l d p 定义的流量参数足以完全满足集成业务网络中的各种服务质量参 数，但需要与r s v p 进行协议的转换和各种服务质量参数的转换。 2 3 4 2 区分业务体系 集成业务体系存在的问题使其不适宜用于骨干网络。区分业务体系的基 本机制是在网络的边缘路由器上根据某一业务的服务质量要求将该业务映射 到一定的业务类别之中，然后利用i p 分组的d s ( d i f f - s e r v ) 字段唯一地标 识这一服务类别，网络中的各个节点将依据该字段对各种业务类别采取预先 确定的服务策略，保证相应的延迟、传送速率、抖动等服务质量参数。 电子科技大学硕士论文一m p l s 流量工程的设计与实现 区分业务体系模型的思想来源于i p v 4 包头的t o s ( t y p eo f s e r v i c e ) 字 节。其中b i t o b i t 2 位用于设定该i p 包的优先级( 共8 个优先级别) ， b i t 3 b i t 6 用于指定所需要的服务，例如可以指定需要低时延，或者高吞吐 量，或者低丢失率的服务。 i e t f 的区分业务工作组对i p v 4 的t o s 字节以及i p v 6 的通信类型( t r a f f i c c l a s s ) 字节进行了重新定义，并把它们称之为i p 包头的d s 域。通过对d s 域进行编码来区别对待分组。i p v 4 包头的d s 域的结构为： 区分服务编码( d s c p ) ：6 位( d s 5 - - d s 0 ) 当前未用( c u ) ：2 位 图2 6 ，i p v 4 定义的d s 字段 这里引入两个重要的概念： b a ( b e h a v i o ra g g r e g a t e ) ：在一个特定的方向上通过同一条链路并具有 相同的d s c p 的数据包的集合。 p h b ( p e r h o pb e h a v i o r ) ：是对每一个b a 在d s 节点中所获得的在外部 可观察的转发特征的描述。 通过对d s c p 的编码，业务主要分为e f ( e x p e d i t e df o r w a r d i n g ) ，a f ( a s s u r e df o r w a r d i n g ) ，和默认业务。 用户端可以通过对i p 包头d s 域的d s c p 进行设置，以标明希望获得的 服务等级。d s c p 也可以由与用户主机直接相连的叶子路由器( 1 e a f r o u t e r ) 或者客户域的边缘路由器分类的结果来进行设置。在区分业务域中，d s 路 由器根据数据包的d s c p 来选择适当的p h b 对其进行处理，从而实现了不同 q o s 等级的服务。在同一个d s 域中，所有的d s 路由器对同一种b a